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나트륨 이온 전지용 망간 기반 고용량 양극 소재 기술 개발

저가형 전력 저장 시스템을 위해... 동국대 강용묵 교수 연구팀 개발

강용묵 교수 연구팀은 현재 사용되고 있는 리튬이차전지에 비해 부존자원이 풍부하고 가격경쟁력이 우수한 나트륨 이차 전지용 양극 소재의 안정화 기술 개발에 성공했다.

신재생 에너지 시대 전력 저장 및 분배에 있어서 핵심이라 할 수 있는 에너지 저장 시스템(ESS) 및 전기자동차(EV) 부문은 높은 출력, 높은 에너지 밀도, 낮은 단가를 동시에 구현할 수 있는 이차 전지의 출현을 요구하고 있다. 특히 리튬 이온 이차 전지에 사용되는 리튬 전구체의 부존량 한계와 높은 가격으로 인해 단가 및 부존량 측면에서 상대적인 장점이 두드러지는 나트륨 이온 이차 전지에 대한 관심이 커지고 있다.

강용묵 교수팀은 다년간 리튬 이온 이차 전지 양극 및 음극의 성능에 필적하면서도 낮은 단가를 가지는 나트륨 이온 이차 전지 양극용 Mn(망간)계 산화물 및 음극용 하드 카본에 대한 연구를 진행해왔다. 그 첫 번째 연구 성과로서 층상구조(P2)를 가지고 있는 Mn계 산화물의 나트륨 이온 자리에 Zn(아연)을 치환함으로써 Jahn-Teller distortion, Phase separation 등의 Mn계 층상구조 산화물 양극을 불안정하게 만드는 치명적인 구조적 요인을 제거하는데 성공했다. 제 1원리 계산을 통해 예측된 해당 효과들을 전자현미경, 방사광 X-ray 분석 등 첨단 분석들을 통해 확인했으며, 해당 소재의 수명 특성을 포함한 제반 전기화학특성이 획기적으로 향상되는 결과를 얻을 수 있었다.

강 교수는 “Uber, Grab 등 공유 경제가 확산되고 있는 미국을 포함한 여러 국가에서 고장이 적고, 충전 시스템의 단가가 낮은 전기자동차(EV)로의 전환은 이미 아주 빠르게 진행되고 있다. 결국 전기자동차 뿐 아니라 이를 충전하기 위한 시스템의 단가에 대한 고민이 산업적으로 매우 중요해지고 있다. 이런 점을 고려해 본 연구 그룹에서는 나트륨 이온 이차 전지 연구에 있어서 단가가 가장 낮은 Mn 기반의 양극 소재, 하드 카본 기반의 음극 소재에 초점을 맞춰 연구를 진행해오고 있다. 특히 양극 소재의 경우 현재까지는 나트륨, 리튬 이온 같은 알칼리 이온이 이동할 수 있는 경로가 분명한 결정(Crystalline phase)에만 초점이 맞춰져 연구가 이루어졌지만 향후에 낮은 단가를 유지하면서 해당 소재의 한계 극복을 위해서는 이러한 결정의 준결정, 비결정으로의 전환에 대한 고려도 필요하지 않을까 생각된다”고 말했다.

한편 이 연구결과의 제 1저자로는 해외우수신진연구자 지원 사업의 지원을 받고 있는 동국대 장카이 박사가 참여했으며, “한국연구재단 해외우수신진연구자 지원 사업, 중견 연구 사업” 등의 지원을 받아 경희대 김두호 교수, 포항공대 최시영 교수, 서울대 조맹효 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 수행됐다. 해당 결과는 ‘Nature Communications’지에 지난 1월 7일 인터넷 판으로 게재됐다.

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